鍋爐煙氣脫硫技術(shù)計算手冊引言本手冊旨在為從事鍋爐煙氣脫硫工程設(shè)計、運行優(yōu)化及技術(shù)管理的工程技術(shù)人員提供一套系統(tǒng)、嚴(yán)謹(jǐn)且實用的計算方法與參考。煙氣脫硫（FGD）技術(shù)是控制二氧化硫排放、應(yīng)對大氣污染的關(guān)鍵手段，其計算的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保達(dá)標(biāo)能力。本手冊將重點圍繞應(yīng)用最為廣泛的石灰石-石膏濕法脫硫工藝展開，涵蓋主要工藝參數(shù)的計算方法，并強調(diào)工程實踐中的注意事項。使用者在應(yīng)用本手冊時，應(yīng)結(jié)合具體項目的煤質(zhì)特性、鍋爐參數(shù)、環(huán)保要求及所選脫硫工藝的特點進(jìn)行靈活調(diào)整與校核。一、基礎(chǔ)參數(shù)與物料平衡計算物料平衡是脫硫系統(tǒng)設(shè)計與計算的基石，它涉及煙氣、脫硫劑、產(chǎn)物及各類輔助物料之間的定量關(guān)系。1.1入口煙氣參數(shù)計算準(zhǔn)確獲取入口煙氣參數(shù)是所有后續(xù)計算的前提。1.1.1入口煙氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，濕基，實際氧含量）通常，鍋爐排煙量可根據(jù)燃料消耗量、燃料元素分析及燃燒所需空氣量計算得出，或由鍋爐熱力計算書直接提供。在缺乏詳細(xì)數(shù)據(jù)時，也可根據(jù)經(jīng)驗公式估算。計算公式：\[V_{fg,in}=V_{fg,dry,in}\times\frac{1}{1-X_{H2O,in}}\]式中：\(V_{fg,in}\)——入口煙氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，濕基，實際氧含量），單位：m3/h；\(V_{fg,dry,in}\)——入口干煙氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實際氧含量），單位：m3/h；\(X_{H2O,in}\)——入口煙氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)（濕基），單位：%（或小數(shù)）。干煙氣量\(V_{fg,dry,in}\)可由燃料燃燒計算獲得，或根據(jù)鍋爐額定蒸發(fā)量及煤種估算。對于固態(tài)排渣煤粉爐，燃用煙煤時，每蒸噸蒸發(fā)量的干煙氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，空氣過剩系數(shù)1.4左右）可參考一定范圍。1.1.2入口煙氣中二氧化硫（SO?）濃度及排放量1.基于燃料分析的計算：\[Q_{SO2,in}=B\timesC_{S,ar}\times\frac{2\timesM_{SO2}}{M_S}\times\eta_S\]\[C_{SO2,in}=\frac{Q_{SO2,in}}{V_{fg,dry,in}}\times10^6\]式中：\(Q_{SO2,in}\)——入口煙氣中SO?的產(chǎn)生速率，單位：kg/h；\(B\)——鍋爐燃料消耗量，單位：kg/h；\(C_{S,ar}\)——燃料收到基硫分含量，單位：%（或小數(shù)）；\(M_{SO2}\)——二氧化硫的摩爾質(zhì)量，64kg/kmol；\(M_S\)——硫的摩爾質(zhì)量，32kg/kmol；\(\eta_S\)——燃料中硫的轉(zhuǎn)化率，即燃料中的硫轉(zhuǎn)化為SO?的比例，通常取0.85~0.95，具體值與燃燒方式和燃料特性有關(guān)；\(C_{SO2,in}\)——入口干煙氣中SO?濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實際氧含量），單位：mg/Nm3（干基，實際氧）。2.基于實測數(shù)據(jù)的修正：若已知某一過量空氣系數(shù)下的SO?濃度，需將其修正至實際運行的過量空氣系數(shù)下的濃度。1.2脫硫劑消耗量計算（以石灰石為例）石灰石（CaCO?）是濕法脫硫中最常用的脫硫劑。其與SO?的主要化學(xué)反應(yīng)為：\[CaCO_3+SO_2+\frac{1}{2}O_2+2H_2O\rightarrowCaSO_4\cdot2H_2O+CO_2\]1.2.1理論石灰石消耗量\[B_{CaCO3,theo}=\frac{Q_{SO2,in}\timesM_{CaCO3}}{M_{SO2}}\]式中：\(B_{CaCO3,theo}\)——理論石灰石消耗量（以純CaCO?計），單位：kg/h；\(M_{CaCO3}\)——碳酸鈣的摩爾質(zhì)量，100kg/kmol。1.2.2實際石灰石消耗量考慮到脫硫劑的純度、利用率以及可能存在的其他酸性氣體（如HCl、HF）的中和反應(yīng)，實際石灰石消耗量需在理論量基礎(chǔ)上進(jìn)行修正：\[B_{CaCO3,act}=\frac{B_{CaCO3,theo}}{P_{CaCO3}\times\eta_{CaCO3}}\times(1+K_{imp})\]式中：\(B_{CaCO3,act}\)——實際石灰石消耗量，單位：kg/h；\(P_{CaCO3}\)——所用石灰石中CaCO?的質(zhì)量百分含量（純度），單位：%（或小數(shù)）；\(\eta_{CaCO3}\)——石灰石的利用率，即參與反應(yīng)的CaCO?與加入的CaCO?之比，與吸收塔設(shè)計、運行參數(shù)密切相關(guān)，通常在0.8~0.95之間；\(K_{imp}\)——考慮其他酸性氣體及不可預(yù)見因素的修正系數(shù)，通常取0.05~0.10。1.3脫硫產(chǎn)物生成量計算（以石膏為例）在石灰石-石膏法中，主要脫硫產(chǎn)物為二水硫酸鈣（CaSO?·2H?O，石膏）。\[G_{gypsum}=Q_{SO2,in}\times\frac{M_{CaSO4\cdot2H2O}}{M_{SO2}}\times\frac{1}{(1-W_{gypsum})}\]式中：\(G_{gypsum}\)——石膏產(chǎn)量（濕基），單位：kg/h；\(M_{CaSO4\cdot2H2O}\)——二水硫酸鈣的摩爾質(zhì)量，172kg/kmol；\(W_{gypsum}\)——石膏的含水率，即濕石膏中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位：%（或小數(shù)），通常脫水后石膏含水率在10%~15%。1.4工藝水消耗量估算脫硫系統(tǒng)的工藝水消耗主要包括：吸收塔補水（蒸發(fā)、夾帶損失）、石灰石漿液制備用水、石膏脫水用水（濾布沖洗、濾餅沖洗）等。\[W_{total}=W_{evap}+W_{entrain}+W_{slurry}+W_{dewater}\]各項水量需根據(jù)具體工藝設(shè)計和運行參數(shù)詳細(xì)計算或參考類似工程經(jīng)驗值。例如，吸收塔蒸發(fā)水量可根據(jù)入口煙氣溫度、濕度及出口煙氣溫度估算。二、脫硫效率與吸收塔主要參數(shù)計算2.1脫硫效率（η）脫硫效率是衡量脫硫系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)，定義為：\[\eta=\frac{C_{SO2,in}-C_{SO2,out}}{C_{SO2,in}}\times100\%\]式中：\(C_{SO2,out}\)——出口干煙氣中SO?濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，實際氧含量或折算到基準(zhǔn)氧含量），單位：mg/Nm3（干基）。在設(shè)計中，脫硫效率通常根據(jù)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求確定。2.2液氣比（L/G）的選擇與計算液氣比（L/G）是指單位體積煙氣所對應(yīng)的吸收劑循環(huán)漿液量，是影響脫硫效率和吸收塔運行特性的關(guān)鍵操作參數(shù)。其單位通常為L/Nm3或m3/m3（漿液體積/標(biāo)準(zhǔn)干煙氣體積）。L/G的選擇需綜合考慮脫硫效率要求、吸收劑種類、煙氣特性、塔型等因素。對于石灰石-石膏法，在保證一定脫硫效率的前提下，存在一個經(jīng)濟(jì)合理的L/G范圍。實際設(shè)計中，L/G往往通過經(jīng)驗公式或參考類似工況下的運行數(shù)據(jù)，并結(jié)合吸收塔內(nèi)傳質(zhì)計算（如HTU-NTU法或傳質(zhì)單元數(shù)法）進(jìn)行確定和校核。\[L/G=f(\eta,C_{SO2,in},吸收劑特性,塔內(nèi)流速,噴淋密度)\]具體計算需涉及傳質(zhì)系數(shù)、平衡溶解度等復(fù)雜參數(shù)，通常借助專業(yè)工藝模擬軟件完成。經(jīng)驗上，對于石灰石-石膏法，當(dāng)入口SO?濃度在數(shù)千mg/Nm3，要求脫硫效率95%以上時，L/G值通常在10~25L/Nm3的范圍內(nèi)選取。2.3吸收塔煙氣流速（空塔流速）吸收塔內(nèi)的煙氣流速直接影響氣液接觸效果、壓降和除霧器性能。\[v_g=\frac{V_{fg,in,act}}{A\times3600}\]式中：\(v_g\)——空塔煙氣流速（基于吸收塔橫截面積），單位：m/s；\(V_{fg,in,act}\)——入口煙氣在吸收塔操作狀態(tài)下的體積流量，單位：m3/h（需根據(jù)操作溫度、壓力進(jìn)行換算）；\(A\)——吸收塔的橫截面積，\(A=\frac{\piD^2}{4}\)，\(D\)為吸收塔內(nèi)徑，單位：m。對于逆流噴淋塔，空塔流速通常在3.0~4.5m/s之間選取，過高易導(dǎo)致液滴夾帶嚴(yán)重，過低則設(shè)備體積龐大不經(jīng)濟(jì)。三、傳質(zhì)與反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)脫硫過程是一個復(fù)雜的氣液傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)過程。SO?從氣相主體擴散到氣液界面，溶解于水相，然后在液相中發(fā)生離解反應(yīng)，并與溶解的脫硫劑（如Ca2?）發(fā)生中和反應(yīng)。3.1吸收塔內(nèi)的傳質(zhì)過程雙膜理論是解釋氣液傳質(zhì)的經(jīng)典理論。SO?的吸收速率主要受氣膜阻力和液膜阻力控制。在石灰石-石膏法中，由于液相中存在快速化學(xué)反應(yīng)，液膜阻力可顯著降低，傳質(zhì)速率主要取決于氣相擴散和液相中CaCO?的溶解速率。提高傳質(zhì)速率的途徑包括：增加氣液接觸面積（如采用高效噴嘴、填料）、增強湍流程度（提高煙氣流速、噴淋密度）、優(yōu)化漿液pH值和溫度等。3.2影響脫硫效率的主要因素除了上述的液氣比、煙氣流速，影響脫硫效率的關(guān)鍵因素還包括：漿液pH值：通?？刂圃?.0~6.0之間。pH值升高，SO?溶解度增加，有利于吸收，但可能導(dǎo)致CaCO?溶解度下降，結(jié)垢風(fēng)險增加，且石膏結(jié)晶變差。漿液濃度與固體含量：石灰石漿液濃度一般在20%~30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。漿液中固體含量過高，流動性變差，易堵塞；過低則L/G增大，能耗增加。吸收塔內(nèi)停留時間：包括煙氣在吸收區(qū)的停留時間和漿液在反應(yīng)池內(nèi)的停留時間，影響反應(yīng)的充分程度。脫硫劑活性：石灰石的純度、粒徑分布、比表面積等。四、計算實例（簡化示意）已知條件：鍋爐燃煤量：B=某值（kg/h）煤收到基硫分：C_{S,ar}=2.0%入口干煙氣量（標(biāo)態(tài)，實際氧）：V_{fg,dry,in}=某值（Nm3/h）脫硫效率要求：η=95%石灰石純度：P_{CaCO3}=90%石灰石利用率：η_{CaCO3}=90%石膏含水率：W_{gypsum}=10%計算步驟：1.計算入口SO?產(chǎn)生量及濃度：\(Q_{SO2,in}=B\times2.0\%\times(64/32)\times0.9\)\(C_{SO2,in}=Q_{SO2,in}/V_{fg,dry,in}\times10^6\)2.計算理論石灰石消耗量：\(B_{CaCO3,theo}=Q_{SO2,in}\times(100/64)\)3.計算實際石灰石消耗量：\(B_{CaCO3,act}=B_{CaCO3,theo}/(0.90\times0.90)\times(1+0.05)\)4.計算石膏產(chǎn)量：\(G_{gypsum}=Q_{SO2,in}\times(172/64)/(1-0.10)\)（注：實際計算時需代入具體數(shù)值，并進(jìn)行詳細(xì)校核。）五、注意事項與工程應(yīng)用1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如煤質(zhì)分析、煙氣參數(shù)）的準(zhǔn)確性是保證計算結(jié)果可靠的前提。2.設(shè)計裕量：在關(guān)鍵設(shè)備選型和參數(shù)計算時，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)脑O(shè)計裕量，以應(yīng)對煤種變化、負(fù)荷波動等情況。3.動態(tài)調(diào)整：本手冊提供的為靜態(tài)計算方法，實際運行中，脫硫系統(tǒng)各參數(shù)是動態(tài)變化的，需通過在線監(jiān)測和自動控制進(jìn)行實時調(diào)整。4.環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)：出口SO?濃度需嚴(yán)格按照最新的國